(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単セルが電気的に直列で接続することで構成された燃料電池スタックと、
前記複数の単セルの最低セル電圧を検出するセル電圧検出手段と、
前記燃料電池スタックの出力電流を制御する電流制御手段と、
を備え、
最低セル電圧について、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを制限する電流制限領域と、当該電流制限領域よりも低い電圧領域であると共に前記燃料電池スタックの発電を停止する発電停止領域との間に、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを停止する指令電流ゼロ領域が設けられ、指令電流ゼロ領域及び発電停止領域は負電圧領域に含まれ、
前記セル電圧検出手段が検出した最低セル電圧が指令電流ゼロ領域にある場合、前記電流制御手段は、前記燃料電池スタックと外部負荷との電気的接続をオン状態で保ちながら、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを停止し、
前記セル電圧検出手段が検出した最低セル電圧が負電圧領域を脱して電流制限領域に入った場合、前記電流制御手段は、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを開始する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記セル電圧検出手段は、複数の単セルを一組として、それぞれの組ごとにセル電圧を検出し、前記一組を構成する単セルの数に対応する最低セル電圧を検出する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記負電圧領域は、前記セル電圧検出手段の検出誤差に基づいて領域設定される
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックを通流する反応ガスの流量を制御する反応ガス流量制御手段を備え、
前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを停止する場合、前記反応ガス流量制御手段は、前記燃料電池スタックを通流する反応ガスの流量を増加させる
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックのアノード流路から排出されるアノードオフガスを、前記アノード流路の上流に戻し循環させるアノード循環流路に接続されると共に、前記アノードオフガスを排出するパージ弁と、
前記燃料電池スタックのカソード流路に向かうカソードガスの圧力を信号圧とし、当該信号圧に基づいて前記アノード流路に供給されるアノードガスの圧力を調整する減圧弁と、
を備え、
最低セル電圧が、前記電流制限領域から前記指令電流ゼロ領域に入った場合、前記パージ弁が開くか否かの判定基準となる基準電圧が高められる
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池スタックのカソード流路に接続され、カソードガスを前記カソード流路に供給するコンプレッサと、
前記カソード流路から排出されるカソードオフガスが流れる通路に設けられる背圧弁と、
を備え、
最低セル電圧が、前記電流制限領域から前記指令電流ゼロ領域に入った場合、前記コンプレッサが回転速度を高めると共に、前記背圧弁が開度を大きくする
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを停止している場合において、最低セル電圧が、単セルが破損するとされる破損電圧以下である前記発電停止領域に入ったとき、前記電流制御手段は、前記燃料電池スタックと外部負荷との電気的接続をオフする
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを停止している場合において、最低セル電圧が負電圧領域に入った後、所定時間経過したとき、前記電流制御手段は、前記燃料電池スタックと外部負荷との電気的接続をオフする
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池スタックの発電電力を充放電する高圧バッテリを備え、
前記電流制御手段は、前記燃料電池スタックと外部負荷との電気的接続をオフした場合、前記高圧バッテリから前記外部負荷に電力を供給する
ことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
最低セル電圧が正電圧領域における電流取出許可電圧以上の前記電流制限領域に入ったとき、最低セル電圧が負電圧領域を脱したと判定される
ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
最低セル電圧が正電圧領域に回復した後、電流取出許可時間以上経過したとき、最低セル電圧が負電圧領域を脱したと判定される
ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記電流制御手段は、最低セル電圧が負電圧領域を脱して前記電流制限領域に入ったと判定した場合、指令電流の増加・減少レートを最低セル電圧に応じて設定し、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを開始する
ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記電流取出許可電圧よりも高く、指令電流が大きくなるにつれて小さくなる通常発電移行電圧が設けられ、
前記電流制御手段は、
最低セル電圧が負電圧領域を脱して前記電流制限領域に入ったと判定した場合、指令電流の増加・減少レートを最低セル電圧に応じて設定し、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを開始し、
最低セル電圧が前記通常発電移行電圧以上となったとき、指令電流の増加・減少レートに基づいた電流の取り出しを解除し、通常発電に移行する
ことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
複数の単セルが電気的に直列で接続することで構成された燃料電池スタックと、
前記複数の単セルの最低セル電圧を検出するセル電圧検出手段と、
前記燃料電池スタックの出力電流を制御する電流制御手段と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
最低セル電圧について、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを制限する電流制限領域と、当該電流制限領域よりも低い電圧領域であると共に前記燃料電池スタックの発電を停止する発電停止領域との間に、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを停止する指令電流ゼロ領域が設けられ、指令電流ゼロ領域及び発電停止領域は負電圧領域に含まれ、
前記セル電圧検出手段が検出した最低セル電圧が指令電流ゼロ領域にある場合、前記電流制御手段は、前記燃料電池スタックと外部負荷との電気的接続をオン状態で保ちながら、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを停止し、
前記セル電圧検出手段が検出した最低セル電圧が負電圧領域を脱して電流制限領域に入った場合、前記電流制御手段は、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを開始する
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス、反応ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の単セルが積層することで構成された燃料電池スタックの開発が盛んである。
【０００３】
そして、このような燃料電池スタックの過放電による劣化を防止するために、セル電圧モニタによって、単セルの電圧（セル電圧）を検出し、セル電圧が、燃料電池スタックの温度に基づいて定められる所定値よりも小さいときに、外部負荷への電流を制限する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２７２７３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃料電池スタックには、水素、空気が通流しやすい部分や、通流しにくい部分が通常形成され、複数のセル電圧は通常ばらついてしまう。すなわち、大部分の単セルには水素、空気が良好に供給され、良好なセル電圧を発生しているにも関わらず、一部の単セルには、例えば、発電により生成した生成水（水蒸気、結露水等）によって、水素、空気の供給が阻害され、正常なセル電圧を発生していない場合がある。そして、このように正常なセル電圧を発生していない単セルに、その両側において正常なセル電圧を発生する単セルから負電圧が印加し、そのまま発電が継続すると、この単セルが劣化等する虞がある。
【０００６】
そこで、本発明は、単セルの劣化を防止可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、複数の単セルが電気的に直列で接続することで構成された燃料電池スタックと、前記複数の単セルの最低セル電圧を検出するセル電圧検出手段と、前記燃料電池スタックの出力電流を制御する電流制御手段と、を備え、最低セル電圧について、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを制限する電流制限領域と、当該電流制限領域よりも低い電圧領域であると共に前記燃料電池スタックの発電を停止する発電停止領域との間に、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを停止する指令電流ゼロ領域が設けられ、指令電流ゼロ領域及び発電停止領域は負電圧領域に含まれ、前記セル電圧検出手段が検出した最低セル電圧が指令電流ゼロ領域にある場合、前記電流制御手段は、前記燃料電池スタックと外部負荷との電気的接続をオン状態で保ちながら、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを停止し、前記セル電圧検出手段が検出した最低セル電圧が負電圧領域を脱して電流制限領域に入った場合、前記電流制御手段は、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを開始することを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、最低セル電圧が指令電流ゼロ領域にある場合、電流制御手段が、燃料電池スタックからの電流の取り出しを停止するので、指令電流ゼロ領域にある最低セル電圧を発生する単セルの劣化を防止できる。
また、最低セル電圧が負電圧領域を脱して電流制限領域に入ったと判定されたとき、電流制御手段が、燃料電池スタックからの電流の取り出しを開始するので、単セルの破損（劣化）を防止しつつ、燃料電池スタックからの電流の取り出しを再開できる。
【０００８】
また、前記セル電圧検出手段は、複数の単セルを一組として、それぞれの組ごとにセル電圧を検出し、前記一組を構成する単セルの数に対応する最低セル電圧を検出することを特徴とする燃料電池システムである。
【０００９】
また、前記負電圧領域は、前記セル電圧検出手段の検出誤差に基づいて領域設定されることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
このような燃料電池システムによれば、負電圧領域はセル電圧検出手段の検出誤差に基づいて領域設定されるので、最低セル電圧が負電圧領域にあるか否かについて、誤判定を防止できる。
【００１１】
また、前記燃料電池スタックを通流する反応ガスの流量を制御する反応ガス流量制御手段を備え、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを停止する場合、前記反応ガス流量制御手段は、前記燃料電池スタックを通流する反応ガスの流量を増加させることを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、燃料電池スタックからの電流の取り出しを停止する場合、反応ガス流量制御手段が反応ガスの流量を増加させるので、燃料電池スタック内の水分（生成水）を排出すると共に、反応ガスが単セルに供給されやすくなり、セル電圧を回復（上昇）させることができる。
【００１２】
また、前記燃料電池スタックのアノード流路から排出されるアノードオフガスを、前記アノード流路の上流に戻し循環させるアノード循環流路に接続されると共に、前記アノードオフガスを排出するパージ弁と、前記燃料電池スタックのカソード流路に向かうカソードガスの圧力を信号圧とし、当該信号圧に基づいて前記アノード流路に供給されるアノードガスの圧力を調整する減圧弁と、を備え、最低セル電圧が、前記電流制限領域から前記指令電流ゼロ領域に入った場合、前記パージ弁が開くか否かの判定基準となる基準電圧が高められることを特徴とする燃料電池システムである。
また、前記燃料電池スタックのカソード流路に接続され、カソードガスを前記カソード流路に供給するコンプレッサと、前記カソード流路から排出されるカソードオフガスが流れる通路に設けられる背圧弁と、を備え、最低セル電圧が、前記電流制限領域から前記指令電流ゼロ領域に入った場合、前記コンプレッサが回転速度を高めると共に、前記背圧弁が開度を大きくすることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１３】
また、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを停止している場合において、最低セル電圧が、単セルが破損するとされる破損電圧以下である前記発電停止領域に入ったとき、前記電流制御手段は、前記燃料電池スタックと外部負荷との電気的接続をオフすることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１４】
このような燃料電池システムによれば、最低セル電圧が、単セルが破損するとされる破損電圧以下であるとき、電流制御手段が、燃料電池スタックと外部負荷との電気的接続をオフするので、外部負荷への電気の通流による単セルの破損（劣化）を、確実に防止できる。
なお、このように、燃料電池スタックと外部負荷との電気的接続をオフする場合、後記する実施形態のように、燃料電池スタックへの反応ガス（水素、空気等）の供給も、停止することが好ましい。
【００１５】
また、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを停止している場合において、最低セル電圧が負電圧領域に入った後、所定時間経過したとき、前記電流制御手段は、前記燃料電池スタックと外部負荷との電気的接続をオフすることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１６】
このような燃料電池システムによれば、最低セル電圧が負電圧領域に入った後、所定時間経過したとき、電流制御手段が、燃料電池スタックと外部負荷との電気的接続をオフするので、外部負荷への電気の通流による単セルの破損（劣化）を、確実に防止できる。
【００１７】
また、前記燃料電池スタックの発電電力を充放電する高圧バッテリを備え、前記電流制御手段は、前記燃料電池スタックと外部負荷との電気的接続をオフした場合、前記高圧バッテリから前記外部負荷に電力を供給することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１９】
また、最低セル電圧が正電圧領域における電流取出許可電圧以上の前記電流制限領域に入ったとき、最低セル電圧が負電圧領域を脱したと判定されることを特徴とする燃料電池システムである。
【００２０】
このような燃料電池システムによれば、最低セル電圧が正電圧領域における電流取出許可電圧以上となったとき、最低セル電圧が負電圧領域を脱したと判定できる。
【００２１】
また、最低セル電圧が正電圧領域に回復した後、電流取出許可時間以上経過したとき、最低セル電圧が負電圧領域を脱したと判定されることを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、最低セル電圧が正電圧領域に回復した後、電流取出許可時間以上経過したとき、最低セル電圧が負電圧領域を脱したと判定できる。
【００２２】
また、前記電流制御手段は、最低セル電圧が負電圧領域を脱して前記電流制限領域に入ったと判定した場合、指令電流の増加・減少レートを最低セル電圧に応じて設定し、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを開始することを特徴とする燃料電池システムである。
また、前記電流取出許可電圧よりも高く、指令電流が大きくなるにつれて小さくなる通常発電移行電圧が設けられ、前記電流制御手段は、最低セル電圧が負電圧領域を脱して前記電流制限領域に入ったと判定した場合、指令電流の増加・減少レートを最低セル電圧に応じて設定し、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを開始し、最低セル電圧が前記通常発電移行電圧以上となったとき、指令電流の増加・減少レートに基づいた電流の取り出しを解除し、通常発電に移行することを特徴とする燃料電池システムである。
【００２３】
また、複数の単セルが電気的に直列で接続することで構成された燃料電池スタックと、前記複数の単セルの最低セル電圧を検出するセル電圧検出手段と、前記燃料電池スタックの出力電流を制御する電流制御手段と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、最低セル電圧について、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを制限する電流制限領域と、当該電流制限領域よりも低い電圧領域であると共に前記燃料電池スタックの発電を停止する発電停止領域との間に、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを停止する指令電流ゼロ領域が設けられ、指令電流ゼロ領域及び発電停止領域は負電圧領域に含まれ、前記セル電圧検出手段が検出した最低セル電圧が指令電流ゼロ領域にある場合、前記電流制御手段は、前記燃料電池スタックと外部負荷との電気的接続をオン状態で保ちながら、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを停止し、前記セル電圧検出手段が検出した最低セル電圧が負電圧領域を脱して電流制限領域に入った場合、前記電流制御手段は、前記燃料電池スタックからの電流の取り出しを開始することを特徴とする燃料電池システムの運転方法である。
【００２４】
このような燃料電池システムの運転方法によれば、最低セル電圧が指令電流ゼロ領域にある場合、電流制御手段が、燃料電池スタックからの電流の取り出しを停止するので、指令電流ゼロ領域にある最低セル電圧を発生する単セルの劣化を防止できる。
また、最低セル電圧が負電圧領域を脱して電流制限領域に入ったと判定されたとき、電流制御手段が、燃料電池スタックからの電流の取り出しを開始するので、単セルの破損（劣化）を防止しつつ、燃料電池スタックからの電流の取り出しを再開できる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、単セルの劣化を防止可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
【００２７】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、セル電圧モニタ１５（セル電圧検出手段）と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
すなわち、本実施形態において、燃料電池スタック１０を通流する反応ガス（水素、空気）の流量を制御する反応ガス流量制御手段は、アノード系の後記する各機器と、カソード系の各機器と、ＥＣＵ６０とを備えて構成されている。また、燃料電池スタック１０の出力電流を制御する電流制御手段は、電力消費系の後記するＶＣＵ４２と、ＥＣＵ６０とを備えて構成されている。
【００２８】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１が積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セル１１は電気的に直列で接続されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
【００２９】
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００３０】
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セル１１の積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がアノード流路１２（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セル１１の積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１３（酸化剤ガス流路）として機能している。
【００３１】
そして、アノード流路１２を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１３を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セル１１で電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  …（２）
【００３２】
このように燃料電池スタック１０が発電すると、カソードで生成した水分（水蒸気）の一部は、電解質膜を透過し、アノードに移動する。よって、アノードから排出されるアノードオフガス、カソードから排出されるカソードオフガスは、多湿となる。また、カソード（カソード流路１３）に供給される空気は、配管３１ａに設けられた加湿器（図示しない）により加湿され、多湿となっている。
【００３３】
ここで、このように生成する水分や、前記加湿器からの水分が、ＭＥＡの表面に付着したり、多孔質体から形成されるアノード、カソードの内部に残留すると、水素、空気が、アノード、カソードに担持された触媒に到達しにくくなり、単セル１１の電圧（セル電圧）が低下する傾向となる。そして、一部の単セル１１のセル電圧が低下し、その両側の単セル１１が正常である場合、前記セル電圧が低下した単セル１１には、その両側の正常な単セル１１から電圧が印加されることになり、この単セル１１のセル電圧が負（マイナス）電圧となるときがある。
【００３４】
＜セル電圧モニタ＞
セル電圧モニタ１５は、燃料電池スタック１０を構成する複数の単セル１１毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。モニタ本体は、所定周期で全ての単セル１１をスキャニングし、各単セル１１のセル電圧を検出し、最低セル電圧（最低セルＶ）を算出するようになっている。そして、モニタ本体（セル電圧モニタ１５）は、算出した最低セル電圧をＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００３５】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス供給手段）と、常閉型の遮断弁２２と、減圧弁２３と、エゼクタ２５と、常閉型のパージ弁２７（燃料ガス排出弁）とを備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、減圧弁２３、配管２３ａ、エゼクタ２５、配管２５ａを介して、アノード流路１２の入口に接続されている。減圧弁２３には、コンプレッサ３１からカソード流路１３に向かう空気の圧力が、オリフィス２４が設けられた配管２４ａを介して、信号圧（パイロット圧）として入力され、減圧弁２３は、この空気の圧力とアノード流路１２における水素の圧力とが等しくなるように制御する構成となっている。
そして、ＥＣＵ６０によって、遮断弁２２が開かれると、水素タンク２１の水素が配管２１ａ等を介してアノード流路１２に供給されるようになっている。
【００３６】
アノード流路１２の出口は、配管２５ｂ（燃料ガス循環ライン）を介して、燃料電池スタック１０の上流のエゼクタ２５の吸込口に接続されており、配管２５ｂには気液分離器（図示しない）が設けられている。そして、アノード流路１２（アノード）から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスは、前記気液分離器において、これに同伴する液状の水分が分離された後、エゼクタ２５に戻されるようになっている。次いで、エゼクタ２５において、水素タンク２１からの水素と混合された後、アノード流路１２に再供給され、水素が循環するようになっている。
【００３７】
配管２５ｂは、その途中で、配管２７ａ、パージ弁２７、配管２７ｂを介して、後記する希釈器３４の上部に接続されている。パージ弁２７は、燃料電池スタック１０の発電時において、配管２５ｂを循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合、ＥＣＵ６０によって開かれる設定となっている。
なお、ＥＣＵ６０は、例えば、燃料電池スタック１０を構成する単セル１１の電圧（セル電圧）が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁２７を開く設定となっている。
【００３８】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤ガス供給手段）と、背圧弁３３と、希釈器３４とを備えている。
【００３９】
コンプレッサ３１は、配管３１ａを介して、カソード流路１３の入口に接続されている。そして、コンプレッサ３１は、ＥＣＵ６０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、これをカソード流路１３に供給するようになっている。また、コンプレッサ３１は、アクセルペダル５１の踏み込み量（アクセル開度）が大きくなると、空気を大流量・高圧で供給するべく、その回転速度が高められる設定となっている。なお、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０及び／又は燃料電池スタック１０の発電電力を充放電する高圧バッテリ４５を電源として作動する。
なお、配管３１ａには、カソード流路１３に向かう空気を加湿する加湿器（図示しない）が設けられている。詳細には、この加湿器は、水分交換可能な中空糸膜を備えており、この中空糸膜を介して、カソード流路１３に向かう空気と、多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させるようになっている。
【００４０】
カソード流路１３の出口は、配管３３ａ、背圧弁３３、配管３３ｂを介して、希釈器３４に接続されている。そして、カソード流路１３（カソード）から排出された多湿のカソードオフガスは、配管３３ａ等を介して、希釈器３４に排出されるようになっている。
【００４１】
背圧弁３３は、バタフライ弁等から構成された常開型の弁であり、その開度はＥＣＵ６０によって制御される。詳細には、アクセルペダル５１の踏み込み量（アクセル開度）が大きくなると、空気を高圧で供給するべく、背圧弁３３の開度は小さくなるように制御される。
【００４２】
希釈器３４は、パージ弁２７から導入されるアノードオフガスと、配管３３ｂから導入されるカソードオフガス（希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、アノードオフガスとカソードオフガスとが混合することで生成した希釈後ガスは、配管３４ａを介して車外に排出されるようになっている。
【００４３】
＜電力消費系＞
電力消費系は、走行モータ４１と、ＶＣＵ４２（Voltage Control Unit、電流制御手段）と、コンタクタ４３と、出力検出器４４（電流検出手段）と、高圧バッテリ４５とを備えている。走行モータ４１は、ＶＣＵ４２、コンタクタ４３、出力検出器４４を介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されている。高圧バッテリ４５はＶＣＵ４２に接続されている。なお、走行モータ４１とＶＣＵ４２との間に配置されているインバータ（ＰＤＵ：Power Drive Unit）は省略している。
【００４４】
走行モータ４１は、燃料電池自動車の動力源となる外部負荷である。
ＶＣＵ４２は、ＥＣＵ６０から送られる指令電流に従って、燃料電池スタック１０の発電電力（出力電流、出力電圧）を制御（制限）すると共に、高圧バッテリ４５の電力を制御する機器であり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電子回路を備えている。なお、アクセルペダル５１等からの発電要求量が大きくなると、ＥＣＵ６０から指令され、燃料電池スタック１０から取り出す電流（指令電流）は大きくなる。また、指令電流が０（Ａ）に制御されると、燃料電池スタック１０からの電流の取り出しが停止、つまり、燃料電池スタック１０の実際の出力電流が０（Ａ）になる。
【００４５】
コンタクタ４３は、ＥＣＵ６０の指令に従って、ＶＣＵ４２と出力検出器４４との電気的接続をＯＮ／ＯＦＦするスイッチである。
出力検出器４４は、燃料電池スタック１０の現在の出力電流及び出力電圧を、所定時間毎（例えば１０秒毎）に検出する機器であり、電流センサ及び電圧センサを備えており、電流センサ及び電圧センサは適所に配置されている。そして、出力検出器４４は、出力電流及び出力電圧を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００４６】
＜アクセルペダル等＞
アクセルペダル５１（Accelerator Pedal、ＡＰ）は、運転者が燃料電池自動車を加速させるために踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル５１は、その踏み込み量（ＡＰ量）をＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００４７】
故障ランプ５２は、ＥＣＵ６０が燃料電池システム１は故障していると判定した場合、運転者に故障を知らせるために点灯させるランプであり、インストルメント・パネルに配置されている。
【００４８】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ＥＣＵ６０は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種処理を実行し、各種機器を制御するようになっている。
また、ＥＣＵ６０は、セル電圧モニタ１５から入力される最低セル電圧と、図２のマップとに基づいて、最低セル電圧が負電圧領域にあるか否か、最低セル電圧が負電圧領域を脱したか否か判定し、その判定結果に従って、パージ弁２７、コンプレッサ３１、背圧弁３３、ＶＣＵ４２及びコンタクタ４３を適宜に制御する機能を備えている。
【００４９】
ここで、図２のマップについて、具体的に説明する。図２において、Ｘ軸はＥＣＵ６０からＶＣＵ４２に送られる指令電流（燃料電池スタック１０の出力電流）であり、Ｙ軸は最低セル電圧であり、図２は、指令電流と最低セル電圧との関係、つまり、電流−電圧（Ｉ−Ｖ）曲線を示している。なお、このようなマップは、事前試験やシミュレーションにより求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
【００５０】
図２おける「正常」が指すＩ−Ｖ曲線は、単セル１１が水分等の影響を受けずに正常に発電する場合におけるＩ−Ｖ曲線である。
「第１所定値」は、最低セル電圧がこの電圧以下に低下すると、最低セル電圧が負電圧領域（セル電圧不足領域）にあると判断され、指令電流を０（Ａ）にすべきと判断される電圧である。本実施形態では、０（Ｖ）に設定されている。なお、負電圧領域とは、通常低くなるべき単セル１１のアノードの電位が、カソードの電位よりも高くなる領域である。
【００５１】
「第２所定値」は、第１所定値よりも低く、最低セル電圧がこの電圧以下に低下すると、最低セル電圧を発生する単セル１１の電解質膜が分解等し、単セル１１が破損（劣化）すると判断される破損電圧であり、燃料電池スタック１０と外部負荷（走行モータ４１等）との電気的接続をオフすべきと判断される電圧である。本実施形態では、−０．２５（Ｖ）に設定されている。
【００５２】
「第３所定値」は、正電圧領域における電圧であって、第１所定値よりも高く、最低セル電圧が第１所定値以下となり指令電流を０（Ａ）とした後、最低セル電圧がこの電圧以上となると、燃料電池スタック１０からの電流の取り出しを許可可能な電流取出許可電圧である。本実施形態では、＋０．５（Ｖ）に設定されている。なお、正電圧領域とは、単セル１１のカソードの電位が、アノードの電位よりも高くなる領域である。
【００５３】
「第４所定値」は、正電圧領域における電圧であって、「正常」が指すＩ−Ｖ曲線と「第３所定値」を通るＩ−Ｖ曲線との間に設定された電圧であり、最低セル電圧が第３所定値以上となり電流の取り出しを許可し、指令電流の増加・減少レートを制御しつつ、電流を取り出した後、最低セル電圧がこの電圧以上になると、指令電流の増加・減少レートの制御を解除すると共に、後記するセル電圧を回復させるための制御（水素、空気の増量）を解除し、通常発電に移行可能な電圧である。なお、第４所定値は、図２に示すように、指令電流（Ａ）の大きさに基づいて変化する。
【００５４】
そして、第４所定値と第１所定値との間は、最低セル電圧が第３所定値以上となり、電流の取り出しを再開した後、指令電流の急変化（増加・減少）により、最低セル電圧が再び第１所定値以下とならないように、指令電流の増加レート、減少レートが、＋５０（Ａ／ｓ）、電流保持（±０（Ａ／ｓ））、−４０（Ａ／ｓ）、−１００（Ａ／ｓ）の領域に分けられている。
【００５５】
なお、このような第１所定値〜第４所定値は、セル電圧モニタ１５の検出誤差を考慮して設定することが好ましい。すなわち、第１所定値〜第４所定値によって設定される負電圧領域、正電圧領域は、セル電圧モニタ１５の検出誤差に基づいて設定、つまり、例えば、セル電圧モニタ１５が実際のセル電圧よりも高めにセル電圧を検出する場合、第１所定値〜第４所定値も高めに設定することが好ましい。このように設定することにより、後記するステップＳ１０１等において、誤判定されることを防止できる。
また、このような第１所定値〜第４所定値、指令電流の増加レート、減少レートの具体的な値は、これに限定されず、燃料電池スタック１０の仕様等に応じて、適宜変更する。
【００５６】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作について、図３を主に参照して説明する。なお、初期状態において、コンタクタ４３はオンされており、ＶＣＵ４２はアクセルペダル５１等からの要求に応じて制御され、燃料電池スタック１０は通常に発電している。
【００５７】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ６０は、セル電圧モニタ１５から入力される最低セル電圧が、第１所定値以下であるか否か判定する。
最低セル電圧が第１所定値以下であると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０２に進む。なお、この場合は、最低セル電圧が負電圧領域にあると判断される場合である。
一方、最低セル電圧が第１所定値以下でないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０６に進む。
【００５８】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ６０は、ＶＣＵ４２に送る指令電流を０とし、燃料電池スタック１０からの電流の取り出しを停止し、電流制限を開始する。これにより、最低セル電圧が、第１所定値よりも下がりにくくなる。
なお、ＥＣＵ６０は、電流制限を開始したことを記憶するため、対応するフラグを立てる。また、このように電流制限するが、コンタクタ４３は、最低セル電圧の回復後に備えて、オンしたままとする。さらに、このような指令電流の制限は、後記するステップＳ１１１まで継続される。
【００５９】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、セル電圧を復帰させるための制御を開始する。
具体的には、ＥＣＵ６０は、例えば、パージ弁２７を開くか否かの判定基準となる基準電圧（所定セル電圧）を高める。これにより、パージ弁２７が開かれやすくなり、パージ弁２７が開かれると、アノード流路１２における水素の圧力が下がるので、減圧弁２３が開く。よって、アノード流路１２を通流する水素の流量が増加し、ＭＥＡ（特にアノード）の表面に付着する水分が排出される。
【００６０】
また、ＥＣＵ６０は、コンプレッサ３１の回転速度を高めると共に、背圧弁３３の開度を大きくする。これにより、カソード流路１３を通流する空気の流量が増加し、ＭＥＡ（特にカソード）の表面に付着する水分が排出される。
このようにして、水素及び空気の流量を増加させ、水分を排出するので、セル電圧が回復することになる。さらに、このような指令電流の制限は、後記するステップＳ１１１まで継続される。
なお、このようなセル電圧を復帰させるための制御は、後記するステップＳ１１１まで継続される。また、水素及び空気の少なくとも一方の流量を増加させる構成でもよい。
【００６１】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ６０は、最低セル電圧が第２所定値以下であるか否かを判定する。
最低セル電圧が第２所定値以下であると判定した場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０５に進む。なお、この場合は、ステップＳ１０２で指令電流を０に制御しており、ステップＳ１０３でセル電圧の復帰制御を開始しているものの、最低セル電圧の低下速度が速く、第２所定値以下となってしまった場合等である。
一方、最低セル電圧が第２所定値以下でないと判定した場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はリターンを経由して、スタートに戻る。
【００６２】
ステップＳ１０５において、燃料電池スタック１０の発電を停止する。
具体的には、ＥＣＵ６０は、コンタクタ４３をオフし、燃料電池スタック１０と走行モータ４１等（外部負荷）との電気的接続をオフする。これにより、燃料電池スタック１０内を電流が流れることはなく、この後、最低セル電圧が第２所定値よりも低くなることを確実に防止できる。
また、ＥＣＵ６０は、遮断弁２２を閉じ、コンプレッサ３１を停止する。これにより、水素の消費が抑えられ、そして、コンプレッサ３１の消費電力が抑えられる。さらに、ＥＣＵ６０は、故障ランプ５２を点灯させ、運転者に燃料電池スタック１０が故障（異常）であることを報知することが好ましい。なお、このように燃料電池スタック１０の発電を停止する場合、ＥＣＵ６０は、ＶＣＵ４２を制御して、高圧バッテリ４５の電力によって走行モータ４１を駆動する。
その後、ＥＣＵ６０の処理は、エンドに進む。
【００６３】
次に、ステップＳ１０１の判定結果がＮｏとなって進むステップＳ１０６を説明する。
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ６０は、フラグを参照して、指令電流の制限中であるか否かを判定する。
指令電流の制限中であると判定した場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０８に進む。一方、指令電流の制限中でないと判定した場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０７に進む。
【００６４】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ６０は、アクセルペダル５１等からの要求に応じて指令電流を算出し、これに従ってＶＣＵ４２を制御し、燃料電池スタック１０を通常に発電させる。その後、ＥＣＵ６０の処理はリターンに進む。
【００６５】
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ６０は、最低セル電圧が第３所定値以上であるか否かを判定する。
最低セル電圧が第３所定値以上であると判定された場合（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０９に進む。この場合は、最低セル電圧が負電圧領域を脱したと判断される場合である。
一方、最低セル電圧が第３所定値以上でないと判定された場合（Ｓ１０８・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０２に進む。
【００６６】
ステップＳ１０９において、ＥＣＵ６０は、アクセルペダル５１等からの発電要求量に対応して、ＶＣＵ４２に指令する指令電流（０よりも大きい）を設定し、燃料電池スタック１０からの電流の取り出しを開始する。
【００６７】
ただし、このように発電要求量に対応して指令電流の大きさが設定されるが、急に大きな電流を取り出してしまうと、最低セル電圧が大きく低下する可能性があるので、指令電流の上昇レート（Ａ／ｓ）を制限する。具体的には、本実施形形態では、発電要求量に対応した指令電流となるように、＋５０（Ａ／ｓ）の増加レートで、指令電流の増加が図られるが、最低セル電圧と図２のマップとに基づいて、最低セル電圧が低下した場合、指令電流の保持や、−４０（Ａ／ｓ）、又は−１００（Ａ／ｓ）の減少レートで指令電流を減少させ、最低セル電圧が再び第１所定値以下とならないように、指令電流は制御される。
【００６８】
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ６０は、最低セル電圧が、第４所定値以上であるか否か判定する。
最低セル電圧が第４所定値以上であると判定した場合（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１１１に進む。一方、最低セル電圧が第４所定値以上でないと判定した場合（Ｓ１１０・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はリターンに進む。
【００６９】
ステップＳ１１１において、ＥＣＵ６０は、指令電流の増加・減少レートの制限を解除し、電流制限を解除したことをフラグにより記憶する。
また、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０３で開始した、セル電圧を復帰させるための制御を解除する。これにより、パージ弁２７の開く頻度が少なくなり、水素の利用効率が高められ、コンプレッサ３１の消費電力が抑えられる。
その後、ＥＣＵ６０の処理は、リターンに進む。
【００７０】
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１から得られる効果について、図４を参照しながら説明する。
最低セル電圧が第１所定値に低下した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、指令電流を０（Ａ）にするので（Ｓ１０２）、最低セル電圧が第２所定値に低下せず、単セル１１に負電圧が印加することはなく、負電圧が印加することにより単セル１１が劣化・破損することを防止できる。これに並行して、セル電圧を復帰（上昇）させるための制御を開始するので（Ｓ１０３）、速やかにセル電圧を復帰させることができる。
【００７１】
そして、最低セル電圧が第３所定値に到達した場合（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、増加・減少レートを制限しつつ、燃料電池スタック１０からの電流の取り出しを開始するので（Ｓ１０９）、最低セル電圧が大きく低下することは防止される。
【００７２】
その後、最低セル電圧が第４所定値に到達した場合、電流制限を解除するので（Ｓ１１１）、燃料電池スタック１０は、発電要求量に対応して発電させることができる。また、セル電圧を復帰させるための制御を解除するので（Ｓ１１１）、水素の効率を高め、コンプレッサ３１の消費電力を抑えることができる。
【００７３】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができ、また、次の構成を適宜組合せてもよい。
【００７４】
前記した実施形態に係る図３のステップＳ１０４に代えて、図５のステップＳ２０４を備える構成でもよい。なお、ステップＳ１０４の後に、ステップＳ２０４をさらに備える構成でもよい。
ステップＳ２０４において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０２で指令電流を最初に０とした後、所定時間Δｔ１が連続して経過したか否か判定する。所定時間Δｔ１は、ステップＳ１０２で指令電流を０とした後、後記するステップＳ２０８の判定結果がＮｏとなる状態、つまり、最低セル電圧が第３所定値以上とならない状態（図３、Ｓ１０８・Ｎｏ）が、これ以上継続する場合、単セル１１が破損・劣化しており、最低セル電圧の回復が望めないと判断される時間である。このような所定時間Δｔ１は、事前試験等によりもとめられ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
【００７５】
所定時間Δｔ１経過したと判定した場合（Ｓ２０４・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０５に進む。この場合は、最低セル電圧が負電圧領域に入った後（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、単セル１１が破損している等と判断される場合である。
一方、所定時間Δｔ１経過していないと判定した場合（Ｓ２０４・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理は、リターンに進む。
【００７６】
前記した実施形態に係る図３のステップＳ１０８に代えて、図５のステップＳ２０８を備える構成でもよい。
ステップＳ２０８において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０２で最初に指令電流を０にし、そして、最低セル電圧が第１所定値よりも継続して大きくなった後（Ｓ１０１・Ｎｏ）、つまり、ステップＳ１０２を経由した後、ステップＳ１０１の判定結果が継続してＮｏとなる時間が、所定時間Δｔ２（電流取出許可時間）経過したか否か判定する。
所定時間Δｔ２は、ステップＳ１０２を経由した後、ステップＳ１０１の結果がＮｏとなる時間がこの時間以上連続すれば、最低セル電圧が第３所定値以上（図３、Ｓ１０８・Ｙｅｓ）になっていると推定される時間である。このような所定時間Δｔ２は、事前試験等によりもとめられ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
【００７７】
所定時間Δｔ２経過したと判定した場合（Ｓ２０８・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０９に進む。この場合は、最低セル電圧が、負電圧領域に入った後（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０１の判定結果がＮｏとなる正電圧領域に回復し、正電圧領域に継続して滞在することにより、最低セル電圧が第３所定値（図３、Ｓ１０８・Ｙｅｓ）以上なったと推定される場合である。
一方、所定時間Δｔ２経過していないと判定した場合（Ｓ２０８・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０２に進む。
【００７８】
前記した実施形態では、セル電圧モニタ１５が全ての単セル１１についてセル電圧を検出し、最低セル電圧を算出し、ＥＣＵ６０が、これと第１所定値等とを比較・判定する構成としたが、その他に例えば、セル電圧モニタ１５が、２つの単セル１１を一組として、この組毎にセル電圧を検出し、これに対応して最低セル電圧（本実施形態の略２倍になる）を算出する構成としてもよい。そして、ＥＣＵ６０が、これに対応する略２倍の第１所定値等と比較・判定する構成としてもよい。
なお、このような構成としても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。
【００７９】
前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用や業務用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】指令電流と最低セル電圧（最低セルＶ）との関係を示すマップである。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図４】本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【図５】変形例に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８１】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック（燃料電池）
１１    単セル（燃料電池）
１２    アノード流路（燃料ガス流路）
１３    カソード流路（酸化剤ガス流路）
１５    セル電圧モニタ（セル電圧検出手段）
２１    水素タンク
２７    パージ弁（反応ガス流量制御手段）
３１    コンプレッサ（反応ガス流量制御手段）
３３    背圧弁（反応ガス流量制御手段）
４１    走行モータ（外部負荷）
４２    ＶＣＵ（電流制御手段）
６０    ＥＣＵ（反応ガス流量制御手段、電流制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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